用于量子密钥分发的同步方法、装置电子设备及介质

本发明涉及卫星通信领域，尤其涉及一种用于量子密钥分发的同步方法、装置电子设备及介质。

背景技术：

安全有效的密钥分发一直是密码学中一个重要研究课题。量子密钥分发作为一个已被证明了的安全密钥分发方案，在实验上得到了广泛验证。在量子密钥分发中，接收端为了准确识别探测到的量子信号为第几个发送信号，同步是必不可少的。目前在星地量子密钥分发中使用的同步方案为通过同步光，结合gps以及星地距离等数据辅助来实现同步。

同步光的方法虽然有效可行，但是需要卫星端和地面端同时设置同步光发射和接收装置，增加了卫星系统复杂性。同时，该方案还需将探测的gps秒脉冲时间发送给地面接收端，增加了通信资源较少的星地经典信道的数据交互量。此外，该方案必须得到星地间距离，以得到同步光传输时间，增加了外部数据依赖性以及系统设计复杂性。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

针对于现有技术问题，本发明提出一种用于量子密钥分发的同步方法、装置电子设备及介质，用于至少部分解决上述技术问题。

(二)技术方案

本发明一方面提出了一种用于量子密钥分发的同步方法，包括：计算地面探测量子脉冲的各时间对应的相位，其中，所述量子脉冲由卫星发射；根据所述相位计算地面探测到的量子脉冲的频率；根据所述地面探测到的量子脉冲的频率计算每个地面探测到的量子脉冲的相位偏移值；根据所述相位偏移值对所述地面探测到的量子脉冲的频率进行多普勒补偿，根据补偿后的频率计算所述各量子脉冲的初始位置；扫描正确的探测脉冲的偏移位置；根据所述初始位置及所述偏移位置，计算地面探测到的量子脉冲在卫星发射端量之光序列中的绝对位置。

根据本公开的实施例，所述计算地面探测量子脉冲的各探测时间对应的相位包括：根据公式：

phia＝2*π*fa*ti

计算第i个探测时间对应的相位phia，其中，ti表示第i个探测时间，fa表示地面探测所述量子脉冲对应的扫描频率，所述扫描频率与所述卫星发送所述量子脉冲的固定频率的绝对值小于预设值。

根据本公开的实施例，所述根据所述相位计算地面探测到的量子脉冲的频率包括：分别计算不同探测时间对应的相位的单位投影；计算所有单位投影的累加和，求解所述累加和最大时对应的扫描频率，作为所述地面探测到的量子脉冲的频率。

根据本公开的实施例，所述根据所述相位偏移值对所述地面探测到的量子脉冲的频率进行多普勒补偿包括：对所述相位偏移值进行拟合，得到所述地面探测到的量子脉冲的频率关于时间的变化趋势曲线；根据所述变化趋势曲线补偿多普勒平移和时钟晶振漂移引入的频率变化。

根据本公开的实施例，根据补偿后的频率计算所述各量子脉冲的初始位置包括：根据公式：

posi＝f*ti-rem(tix)

计算第i个量子脉冲的初始位置，其中，posi为第i个地面探测到的量子脉冲的初始位置，f表示补偿后的频率，ti表示第i个探测时间，rem(tix)表示所述相位偏移值。

根据本公开的实施例，所述扫描正确的探测脉冲的偏移位置包括：根据所述卫星发射端的随机数中真空态的占空比，扫描所述正确的探测脉冲的偏移位置。

根据本公开的实施例，根据公式：

satposi＝posi+offset

计算所述绝对位置，其中，satposi为第i个地面探测到的量子脉冲在卫星发射端量之光序列中的绝对位置，posi为第i个地面探测到的量子脉冲的初始位置，offset表示所述偏移位置。

本公开另一方面提供一种用于量子密钥分发的同步装置，包括：第一计算模块，用于计算地面探测量子脉冲的各时间对应的相位，其中，所述量子脉冲由卫星发射；第二计算模块，用于根据所述相位计算地面探测到的量子脉冲频率的频率；第三计算模块，用于根据所述地面探测到的量子脉冲的频率计算每个地面探测到的量子脉冲的相位偏移值；补偿模块，用于根据所述相位偏移值对所述地面探测到的量子脉冲的频率进行多普勒补偿；第四计算模块，用于根据补偿后的频率计算所述各量子脉冲的初始位置；扫描模块，用于扫描正确的探测脉冲的偏移位置；第五计算模块，用于根据所述初始位置及所述偏移位置，计算地面探测到的量子脉冲在卫星发射端量之光序列中的绝对位置。

本公开另一方面还提供一种电子设备，包括：一个或多个处理器；存储器，用于存储一个或多个程序，其中，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现如上述所述的方法。

本公开另一方面还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有可执行指令，该指令被处理器执行时使处理器实现如上述所述的方法。

(三)有益效果

本发明提供一种用于量子密钥分发的同步方法、装置电子设备及介质，至少具备以下有益效果：

由于整个同步过程直接通过各脉冲量子光的探测时间计算其对应的相位，再根据该相位对地面探测到的量子脉冲的频率进行多普勒补偿，根据补偿后的频率计算各量子脉冲的初始位置，最后结合正确的探测脉冲的偏移位置，得到了地面探测到的量子脉冲在卫星发射端量之光序列中的绝对位置，完成星地之间的时间同步，因此，不需要卫星端和地面端设置同步光发射和接收装置，降低了资源紧张卫星的系统复杂性，也不需将卫星端探测的gps秒脉冲时间发送给地面接收端，减少了通信资源较少的星地经典信道的数据交互量，同时也不需要得到星地间距离，减小了对外部数据依赖性以及系统设计复杂性。

附图说明

图1示意性示出了本发明实施例提供的用于量子密钥分发的同步方法的流程图；

图2示意性示出了本发明实施例提供的计算得到的地面探测到的量子脉冲频率图；

图3示意性示出了本发明实施例提供的地面探测到的量子脉冲频率的偏移量关于时间变化的趋势图；

图4示意性示出了本发明实施例提供的根据地面探测到的量子脉冲频率的偏移量变化的趋势对地面探测到的量子脉冲频率进行偏移量补偿前后量子光的直方图；

图5示意性示出了根据本公开实施例的用于量子密钥分发的同步装置的框图；

图6示意性示出了根据本公开实施例的适于实现上文描述的方法的电子设备的框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提供一种用于量子密钥分发的同步方法，该方法主要包括地面量子脉冲探测频率的扫描、地面多普勒补偿以及地面量子脉冲初始位置获取及星上根据初始位置扫描正确位置三个过程。

以下结合具体的附图对本发明的用于量子密钥分发的同步方法进行详细介绍。

图1示意性示出了本发明实施例提供的用于量子密钥分发的同步方法的流程图。

如图1所示，该用于量子密钥分发的同步方法例如可以包括操作s101～操作s105。

在操作s101，计算地面探测量子脉冲的各时间对应的相位。

根据本公开的实施例，在星地量子密钥分发(qkd)中，卫星以固定频率f0发送量子脉冲，地面探测量子信号并记录。具体可以为：在发射频率f0附近扫描，对不同扫描频率fa计算一定时间范围内量子脉冲探测时间对应相位。

在操作s102，根据相位计算地面探测到的量子脉冲的频率。

根据本公开的实施例，第i个探测时间对应的相位phia为：

phia＝2*π*fa*ti

其中，ti为第i个量子脉冲探测时间，π为圆周率，fa表示地面探测量子脉冲对应的扫描频率，扫描频率与卫星发送量子脉冲的固定频率的绝对值小于预设值。

上述相位计算公式可以改写为：

phia＝δphia+2*π*nia

其中，nia为与i相关的整数，δphia为相对相位。若fa与fx相等则可以得到δphia为常数。分别计算不同相位对应相位单位投影：

reia＝cos(δphia+2*π*nia)＝cos(δphia)

imia＝sin(δphia+2*π*nia)＝sin(δphia)

根据上述相位单位投影生成各个探测时间对应的向量累加各个向量得到其累加模：

当ampa最大时，对应求解的扫描频率，作为地面探测到的量子脉冲的频率fx。如图2所示，当发射频率f0为100000000hz时，ampx最大时获得频率值为100000916hz。

在操作s103，根据地面探测到的量子脉冲的频率计算每个地面探测到的量子脉冲的相位偏移值，根据相位偏移值对所述地面探测到的量子脉冲的频率进行多普勒补偿，根据补偿后的频率计算所述各量子脉冲的初始位置。

根据本公开的实施例，与地面qkd系统相比，星地qkd系统中发射端与接收端的存在距离变化。由于相对运动的存在，因为多普勒效应势必导致发射频率与探测频率不一致。若发射端与接收端之间的运动为匀速直线运动，则上述计算所得fx即为接收端探测到的量子脉冲的频率，然而通常星地间相对运动并非匀速直线运动，这使得fx与实际探测到的量子脉冲的频率存在一定误差。

当接收端探测量子脉冲频率固定不变时可以得到：

posi+rem＝fx*ti

其中，fx为地面探测到的量子脉冲的频率，posi为第i个探测脉冲的初始位置，rem为地面探测到的量子脉冲的频率相位偏移值，其中，posi可通过fx*ti得到的值的整数部分获得，rem可通过fx*ti得到的值的小数部分获得。频率fx为常数时可以到rem为常数。但是由于星地之间存在相对运动，接收端探测量子脉冲频率将不再是常数。因此，在实际星地系统中地面探测到的量子脉冲的相位偏移量是一个关于时间的函数：

rem(tix)＝fx*ti-posi

如图3，当取探测频率fx为100000916hz时，计算rem(ti)，得到对于rem(ti)关于时间的变化趋势。

因此，使用地面探测到的量子脉冲的频率fx计算rem(tix)，通过对rem(tix)拟合曲线可以得到其关于时间的函数，可计算得到频率关于时间的变化趋势：

再根据remf(tix)＝rem(tix)/fx，完成对多普勒平移和时钟晶振漂移引入的频率变化问题，得到补偿后的频率f，如图4所示，其为根据f(tix)曲线对地面探测频率进行偏移量补偿前后地面探测到的量子脉冲的直方图。

再根据公式：

posi＝f*ti-rem(tix)

计算第i个量子脉冲的初始位置，其中，posi为第i个地面探测到的量子脉冲的初始位置，f表示补偿后的频率，ti表示第i个探测时间，rem(tix)表示相位偏移值。

在操作s104，扫描正确的探测脉冲的偏移位置。

根据本公开的实施例，扫描正确的探测脉冲的偏移位置指的是扫描探测脉冲可以和卫星存储的随机数匹配的偏移位置。由于卫星中存储了驱动量子光发送的随机数，可根据统计真空态计数来扫描偏移位置(offset)。由于发射端随机数里真空态和量子态的比例为1∶3，当使用正确的offset统计时，真空态的计数主要由噪声贡献，在偏振对比度正常的情况下，真空态cntv与所有计数cnttotal的比例会小于5％；当使用错误的offset统计时，真空态cntv与所有计数cnttotal的比约为25％。故可卫星根据随机数扫描不同offset下的cntv/cnttotal的值，cntv/cnttotal当小于5％时，offset确定。

在操作s105，根据初始位置及偏移位置，计算地面探测到的量子脉冲在卫星发射端量之光序列中的绝对位置。

根据本公开的实施例，根据公式：

satposi＝posi+offset

计算地面探测到的量子脉冲在卫星发射端量之光序列中的绝对位置，其中，satposi为第i个地面探测到的量子脉冲在卫星发射端量之光序列中的绝对位置，posi为第i个地面探测到的量子脉冲的初始位置，offset表示偏移位置。至此，完成星地之间的时间同步。

通过本公开实施例提供的用于量子密钥分发的同步方法，整个同步过程直接通过各脉冲量子光的探测时间计算其对应的相位，再根据该相位对地面探测到的量子脉冲的频率进行多普勒补偿，根据补偿后的频率计算各量子脉冲的初始位置，最后结合正确的探测脉冲的偏移位置，得到了地面探测到的量子脉冲在卫星发射端量之光序列中的绝对位置，完成星地之间的时间同步，因此，不需要卫星端和地面端设置同步光发射和接收装置，降低了资源紧张卫星的系统复杂性，也不需将卫星端探测的gps秒脉冲时间发送给地面接收端，减少了通信资源较少的星地经典信道的数据交互量，同时也不需要得到星地间距离，减小了对外部数据依赖性以及系统设计复杂性。

基于同一发明构思，本公开的实施例还提供一种用于量子密钥分发的同步装置。

图5示意性示出了根据本公开实施例的用于量子密钥分发的同步装置的框图。

如图5所示，该用于量子密钥分发的同步装置500例如可以包括：第一计算模块510、第二计算模块520、第三计算模块530、补偿模块540、第四计算模块550、扫描模块560以及第五计算模块570。

第一计算模块510，用于计算地面探测量子脉冲的各时间对应的相位，其中，量子脉冲由卫星发射。

第二计算模块520，用于根据相位计算地面探测到的量子脉冲的频率。

第三计算模块530，用于根据地面探测到的量子脉冲的频率计算每个地面探测到的量子脉冲的相位偏移值。

补偿模块540，用于根据相位偏移值对地面探测到的量子脉冲的频率进行多普勒补偿。

第四计算模块550，用于根据补偿后的频率计算各量子脉冲的初始位置。

扫描模块560，用于扫描正确的探测脉冲的偏移位置。

第五计算模块570，用于根据初始位置及偏移位置，计算地面探测到的量子脉冲在卫星发射端量之光序列中的绝对位置。

根据本公开的实施例的模块、子模块、单元、子单元中的任意多个、或其中任意多个的至少部分功能可以在一个模块中实现。根据本公开实施例的模块、子模块、单元、子单元中的任意一个或多个可以被拆分成多个模块来实现。根据本公开实施例的模块、子模块、单元、子单元中的任意一个或多个可以至少被部分地实现为硬件电路，例如现场可编程门阵列(fpga)、可编程逻辑阵列(pla)、片上系统、基板上的系统、封装上的系统、专用集成电路(asic)，或可以通过对电路进行集成或封装的任何其他的合理方式的硬件或固件来实现，或以软件、硬件以及固件三种实现方式中任意一种或以其中任意几种的适当组合来实现。或者，根据本公开实施例的模块、子模块、单元、子单元中的一个或多个可以至少被部分地实现为计算机程序模块，当该计算机程序模块被运行时，可以执行相应的功能。

例如，第一计算模块510、第二计算模块520、第三计算模块530、补偿模块540、第四计算模块550、扫描模块560以及第五计算模块570中的任意多个可以合并在一个模块/单元/子单元中实现，或者其中的任意一个模块/单元/子单元可以被拆分成多个模块/单元/子单元。或者，这些模块/单元/子单元中的一个或多个模块/单元/子单元的至少部分功能可以与其他模块/单元/子单元的至少部分功能相结合，并在一个模块/单元/子单元中实现。根据本公开的实施例，第一计算模块510、第二计算模块520、第三计算模块530、补偿模块540、第四计算模块550、扫描模块560以及第五计算模块570中的至少一个可以至少被部分地实现为硬件电路，例如现场可编程门阵列(fpga)、可编程逻辑阵列(pla)、片上系统、基板上的系统、封装上的系统、专用集成电路(asic)，或可以通过对电路进行集成或封装的任何其他的合理方式等硬件或固件来实现，或以软件、硬件以及固件三种实现方式中任意一种或以其中任意几种的适当组合来实现。或者，第一计算模块510、第二计算模块520、第三计算模块530、补偿模块540、第四计算模块550、扫描模块560以及第五计算模块570中的至少一个可以至少被部分地实现为计算机程序模块，当该计算机程序模块被运行时，可以执行相应的功能。

需要说明的是，本公开的实施例中用于量子密钥分发的同步装置部分与本公开的实施例中用于量子密钥分发的同步方法部分是相对应的，其具体实施细节及带来的技术效果电是相同的，在此不再赘述。

图6示意性示出了根据本公开实施例的适于实现上文描述的方法的电子设备的框图。图6示出的电子设备仅仅是一个示例，不应对本公开实施例的功能和使用范围带来任何限制。

如图6所示，根据本公开实施例的电子设备600包括处理器601，其可以根据存储在只读存储器(rom)602中的程序或者从存储部分608加载到随机访问存储器(ram)603中的程序而执行各种适当的动作和处理。处理器601例如可以包括通用微处理器(例如cpu)、指令集处理器和/或相关芯片组和/或专用微处理器(例如，专用集成电路(asic))，等等。处理器601还可以包括用于缓存用途的板载存储器。处理器601可以包括用于执行根据本公开实施例的方法流程的不同动作的单一处理单元或者是多个处理单元。

在ram603中，存储有电子设备600操作所需的各种程序和数据。处理器601、rom602以及ram603通过总线604彼此相连。处理器601通过执行rom602和/或ram603中的程序来执行根据本公开实施例的方法流程的各种操作。需要注意，所述程序也可以存储在除rom602和ram603以外的一个或多个存储器中。处理器601也可以通过执行存储在所述一个或多个存储器中的程序来执行根据本公开实施例的方法流程的各种操作。

根据本公开的实施例，电子设备600还可以包括输入/输出(i/o)接口605，输入/输出(i/o)接口605也连接至总线604。电子设备600还可以包括连接至i/o接口605的以下部件中的一项或多项：包括键盘、鼠标等的输入部分606；包括诸如阴极射线管(crt)、液晶显示器(lcd)等以及扬声器等的输出部分607；包括硬盘等的存储部分608；以及包括诸如lan卡、调制解调器等的网络接口卡的通信部分609。通信部分609经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器610也根据需要连接至i/o接口605。可拆卸介质611，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器610上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装入存储部分608。

根据本公开的实施例，根据本公开实施例的方法流程可以被实现为计算机软件程序。例如，本公开的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读存储介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分609从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质611被安装。在该计算机程序被处理器601执行时，执行本公开实施例的系统中限定的上述功能。根据本公开的实施例，上文描述的系统、设备、装置、模块、单元等可以通过计算机程序模块来实现。

本公开还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质可以是上述实施例中描述的设备/装置/系统中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该设备/装置/系统中。上述计算机可读存储介质承载有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被执行时，实现根据本公开实施例的方法。

根据本公开的实施例，计算机可读存储介质可以是非易失性的计算机可读存储介质。例如可以包括但不限于：便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦式可编程只读存储器(eprom或闪存)、便携式紧凑磁盘只读存储器(cd-rom)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本公开中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。

例如，根据本公开的实施例，计算机可读存储介质可以包括上文描述的rom602和/或ram603和/或rom602和ram603以外的一个或多个存储器。

附图中的流程图和框图，图示了按照本公开各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，上述模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图或流程图中的每个方框、以及框图或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。

以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。本公开的范围由所附权利要求及其等同物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。